PRINCIPIOS BASICOS

1.1   LA ATMÓSFERA.

El objetivo de estos primeros capítulos es tratar de explicar de una manera sencilla y con conceptos básicos porqué vuela un avión; es decir porqué un ingenio mecánico (el avión) más pesado que el aire se desplaza a través de este, y que fuerzas y leyes que las gobiernan son las que hacen esto posible.

Con la vista puesta en este objetivo, se detallan en este capítulo las propiedades, desde un punto de vista aerodinámico, del medio en que el avión se mueve: la atmósfera. En capítulos posteriores, trataremos de detallar otras características fundamentales que nos conviene conocer: meteorología, vientos, etc.

La atmósfera es la envoltura gaseosa que rodea el planeta y está compuesta principalmente por una mezcla de gases (78% de nitrógeno, 21% de oxígeno y 1% de otros gases) que denominamos aire. A estos constituyentes hay que añadir el vapor de agua concentrado en las capas más bajas, cuya cantidad depende de las condiciones climatológicas y la localización geográfica, pudiendo variar entre el 0% y el 5%. A medida que aumenta el vapor de agua, los demás gases disminuyen proporcionalmente.

Dado que cada componente tiene un peso distinto de los restantes, existe una tendencia natural de los elementos más pesados a permanecer en las capas más bajas (oxígeno por ejemplo) mientras que los más ligeros se encuentran en las capas más altas. Esto explica porqué la mayor parte del oxígeno se encuentra por debajo de los 35.000 pies de altitud, y porqué a medida que se asciende (piense en el Everest) disminuye la cantidad de oxígeno presente en la atmósfera.

Este elemento gaseoso que denominamos aire tiene masa, peso y una forma indeterminada. Es capaz de fluir, y cuando está sujeto a cambios de presión cambia su forma debido a la carencia de una fuerte cohesión molecular, es decir, tiende a expandirse o contraerse ocupando todo el volumen del recipiente que lo contiene. Dado que el aire tiene masa y peso, está sujeto y reacciona a las leyes físicas de la misma manera que otros cuerpos gaseosos.

Aunque este elemento gaseoso que denominamos aire tiene muchas otras propiedades importantes, para poder explicar porque vuela un avión, en este momento interesa centrarse en las características básicas que definen su comportamiento como fluido: presión, temperatura y densidad. Como se verá a lo largo de varios capítulos, estos tres conceptos están intimamente relacionados y afectan de forma muy importante al vuelo.


1.1.1   Presión atmosférica.

Se define como presión a la cantidad de fuerza aplicada por unidad de superficie. De acuerdo con esta definición, presión atmosférica es la fuerza ejercida por la atmósfera sobre una unidad de superficie, fuerza que se debe al peso del aire contenido en una columna imaginaria que tiene como base dicha unidad.
La altura de esta columna y por tanto el peso del aire que contiene, depende del lugar en que nos encontremos. A nivel del mar la columna que tenemos encima es mayor que en la cumbre del Aneto, la cual es a su vez mayor de la que tendríamos en la cima del Everest.

Esta circunstancia explica una primera cualidad del aire que nos interesa conocer: la presión atmosférica cambia de forma inversamente proporcional a la altura, "a mayor altura menor presión".

La magnitud de este cambio es de 1 milibar por cada 9 metros de altura, que cual equivale a 110 milibares cada 1000 metros, o 1 pulgada por cada 1000 pies aproximadamente (1 mb cada 9 mts. o 1" cada 1000 ft.).

Debido precisamente a esta propiedad (y a la menor densidad del aire), los aviones que vuelan por encima de una altitud determinada deben estar provistos de sistemas de presurización en la cabina de pasajeros.

Para medir la presión atmosférica, se puede utilizar un barómetro de mercurio, un barómetro aneroide, o cualquier otro aparato más sofisticado; en los capítulos dedicados a instrumentación veremos que algunos instrumentos del avión basan su funcionamiento en la lectura de esta presión.

Las unidades normalmente empleadas en aviación son milibares (1 mb=10³ dinas/cm²) o pulgadas de mercurio (1 pulgada del barómetro de mercurio equivale aprox. a 34 milibares).


1.1.2   Temperatura del aire.

Aunque existen factores particulares que afectan a la temperatura del aire, como por ejemplo lo cercano o lejano que esté un lugar respecto a la línea del ecuador, su lejanía o proximidad a la costa, etc., un hecho común es que el calor del sol atraviesa la atmósfera sin elevar significativamente su temperatura; esta energía es absorbida por la Tierra provocando que esta se caliente y eleve su temperatura, la cual es cedida gradualmente a las capas de aire en contacto con ella. En este ciclo continuo, cuanto más alejadas están las capas de aire de la tierra menos calor reciben de esta.

Debido a este fenómeno, una segunda cualidad del aire es que: la temperatura cambia de manera inversamente proporcional a la altura, "a mayor altura menor temperatura". La magnitud de este cambio es de aproximadamente 6,5ºC cada 1000 metros, o lo que es igual 1,98ºC cada 1000 pies. Estos valores son validos desde el nivel del mar hasta una altitud de 11000 mts. (36.090 pies); a alturas superiores la temperatura se considera que tiene un valor constante de -56,5ºC.

Aunque las magnitudes dadas no se cumplen exactamente al no ser el aire un gas ideal, estos valores medios son los aceptados como indicativos del comportamiento del aire.

Relación entre presión y temperatura. Si calentamos una masa de gas contenida en un recipiente, la presión que ejerce esta masa sobre el recipiente se incrementa, pero si enfriamos dicha masa la presión disminuye. Igualmente, comprimir un gas aumenta su temperatura mientras que descomprimirlo lo enfría. Esto demuestra que hay una relación directa entre temperatura y presión. Así, la presión del aire cálido es mayor que la del aire frío. Al escuchar las predicciones meteológicas, asociamos ya de forma intuitiva altas presiones con calor y bajas presiones con frío. La ley de compresión de los gases de Gay-Lussac ya lo dice: "La presión de los gases es función de la temperatura e independiente de la naturaleza de los mismos".


1.1.3   Densidad del aire.

La densidad de cualquier cuerpo sea sólido, líquido o gaseoso expresa la cantidad de masa del mismo por unidad de volumen (d=m/v). Esta propiedad en el aire es en principio mal asimilada por poco intuitiva, pues es cierto que la densidad del aire es poca si la comparamos por ejemplo con la del agua, pero es precisamente esta diferencia lo que hace el vuelo posible. Dado que con la altura cambian la presión y la temperatura, para saber como cambia la densidad nada mejor que ver como afectan a esta las variaciones de presión y temperatura.

Si se comprime, una misma masa de gas ocupará menos volumen, o el mismo volumen alojará mayor cantidad de gas. Este hecho se conoce en Física como ley de Boyle: "A temperatura constante, los volumenes ocupados por un gas son inversamente proporcionales a las presiones a las que está sometido". De esta ley y de la definición de densidad dada, se deduce que la densidad aumenta o disminuye en relación directa con la presión.

Por otra parte, sabemos que si se aplica calor a un cuerpo este se dilata y ocupa más volumen, hecho conocido en Física como Ley de dilatación de los gases de Gay-Lussac: "La dilatación de los gases es función de la temperatura e independiente de la naturaleza de los mismos". De acuerdo con esta ley y volviendo de nuevo a la definición de densidad, si una misma masa ocupa más volumen su densidad será menor. Así pues, la densidad del aire cambia en proporción inversa a la temperatura.

Se plantea ahora un dilema, porque si al aumentar la altura, por un lado disminuye la presión (disminuye la densidad) y por otro disminuye la temperatura (aumenta la densidad), ¿cómo queda la densidad?. Pues bien, influye en mayor medida el cambio de presión que el de temperatura, resultando que "a mayor altura menor densidad". En capítulos posteriores de detalla como afecta la densidad a la sustentación, la resistencia y al rendimiento general del avión.


1.1.4   Atmósfera tipo.

La atmósfera tipo o atmósfera estándar, conocida como atmósfera ISA (International Standard Atmosphere), es una atmósfera hipotética basada en medidas climatológicas medias, cuyas constantes más importantes son:

  • Unos valores en superficie al nivel del mar de:
    • Temperatura: 15ºC (59ºF).
    • Presión: 760 mm o 29,92" de columna de mercurio, equivalentes a 1013,25 mb por cm².
    • Densidad: 1,325 kg. por m³.
    • Aceleración debido a la gravedad: 9,8 mts/segundo².
    • Velocidad del sonido: 340,29 mts/segundo.
  • Un gradiente térmico de 1,98ºC por cada 1000 pies o 6,5ºC por cada 1000 mts.
  • Un descenso de presión de 1" por cada 1000 pies, o 1 mb por cada 9 metros, o 110 mb por cada 1000 mts.

Esta atmósfera tipo definida por la OACI sirve como patrón de referencia, pero muy raramente un piloto tendrá ocasión de volar en esta atmósfera estándar.
De todos los valores anteriores, los más familiares en aviación (en España) son: a nivel del mar una temperatura de 15ºC y una presión de 1013 mb. o 29.92", y una disminución de 2ºC de temperatura y 1" de presión por cada 1000 pies de altura.


Sumario:

  • Las características básicas del aire como fluido son: presión, temperatura y densidad.
  • Presión atmosférica es la fuerza que ejerce la atmósfera por unidad de superficie.
  • Densidad del aire es la cantidad de masa del mismo por unidad de volumen.
  • Presión, temperatura y densidad son inversamente proporcionales a la altura. A mayor altura, menor presión, menor temperatura y menor densidad.
  • La densidad es también inversamente proporcional a la temperatura. A mayor temperatura menor densidad.
  • La atmósfera tipo o estándar, conocida como atmósfera ISA, es una atmósfera hipotética basada en medidas climatológicas medias.